Die Erfindung betrifft ein integriertes optisches Vielstrahlinterferometer nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Herkömmliche optische Vermittlungseinrichtungen oder Schalter sowie optische
Multiplexer und Demultiplexer umfassen eine Verbindungsvorrichtung
mit einem bis zu mehreren, dicht zu einander beabstandeten Eingangswellenleitern,
die an dem Eingang eines Freistrahlbereiches (Sternkoppler) angeschlossen
sind. Der Ausgang des Freistrahlbereiches ist mit einem planaren
Wellenleiterphasengitter (AWG-area waveguide grating) verbunden,
das eine Reihe von optischen Wellenleitern umfaßt. Die Anzahl dieser Wellenleiter
kann mehr als 50 betragen. Es wird dann von dichten Wellenlängenmultiplexern
(DWDM-dense wavelength division multiplex) gesprochen.
Das Wellenleiterphasengitter ist mit dem Eingang eines zweiten Freistrahlbereiches
verbunden, dessen Ausgänge die Ausgänge der Vermittlungseinrichtung
oder des Schalters bzw. des Multiplexers oder des Demultiplexers
sind (siehe z.B. US 5,136,671).
Die Wellenleiter des Wellenleiterphasengitters unterscheiden sich in der
Länge im Vergleich zu ihrem nächsten Nachbar jeweils um einen vorbestimmten
festen Betrag. Dies ermöglicht mehrere separate, optisch unterschiedliche
Wellenlängen, die jeweils in verschiedene getrennte Eingangsport
der Vorrichtung eingespeist werden, miteinander durch Interferenz an
einem vorbestimmten Ausgangsport zu kombinieren. Auf diese Art und
Weise wird die Vorrichtung als Multiplexer angewendet. Die gleiche Vorrichtung
kann auch als Demultiplexer wirken. In diesem Fall liegen mehrere
Eingangswellenlängen an einem vorbestimmten Eingangsport der Vorrichtung
an. Gegebenenfalls kann ein einziger Eingangsport vorhanden sein.
Die Eingangswellenlängen werden jeweils voneinander getrennt und an
einen vorbestimmten Ausgangsport der Vorrichtung angelegt. Falls mehrere
Eingangsporte vorhanden sind, ermöglicht eine geeignete Auswahl der Eingangswellenlängen
auch ein Vermitteln oder Schalten zwischen einem ausgewählten
beliebigen Eingangsport und einem ausgewählten beliebigen
Ausgangsport.
Solche optischen Frequenzmultiplexer/-demultiplexer können z.B. in
SiO2/Si-Technologie in Form von sogenannten optischen Phasen Feldern
(phasar - phase area) hergestellt sein. Dabei wird auf einem Siliziumsubstrat
eine Schicht (buffer layer) von z.B. 15 µm aus SiO2 durch Oxidation
unter Hochdruckdampf gewachsen. Sie dient zur Isolierung vom Silizium-substrat,
das eine sehr hohe Brechzahl aufweist. Eine zweite Schicht (core
layer) aus gedoptem Glas, z.B. mit Phosphor oder Germanium, wird auf
das Oxid draufgelegt. In dieser letzteren Schicht wird durch Trockenätzen
das Vielstrahlinterferometer, d.h. die Freistrahlbereiche und alle Wellenleiter
des Wellenleiterphasengitters, einstrukturiert, und danach mit einer
Schicht von mehreren Mikrometern Dicke aus Phosphor oder Bor gedoptes
Glas überdeckt. Die typische Breite vom Kern eines Wellenleiters des Phasengitters
befindet sich im Bereich von 4,5 - 6,5 µm. Der typische Entkopplungsabstand
von benachbarten Wellenleitern des Wellenleiterphasengitters
beträgt 30 µm vom Zentrum zum Zentrum der jeweiligen Wellenleiter.
Zudem weisen die Wellenleiter des Phasengitters in der Ebene in
der sie einstrukturiert sind, eine kreisbogenartige Form mit z.B. einem minimalen
Krümmungsradius von ungefähr 15 mm auf.
Der Verlust beim Kombinieren (Multiplexer) oder Trennen (Demultiplexer)
von Lichtsignalen, die Wellenlängen im Bereich von 1.200 nm bis zu 1.600
nm aufweisen und sich voneinander nur z. B. bis zu 0,4 nm oder 0,2 nm
unterscheiden, ist stark abhängig von der Qualität des aus den Wellenleitern
des Phasengitters ausstrahlenden Lichtsignalen am Freistrahlbereich
erzeugten Interferenzmusters abhängig. Selbst mit modernster Technik ist
bei der Herstellung von Phasengittern aus einer Vielzahl von Wellenleitern
mit fest definierter optischer Länge schwerlich eine gewisse Aberration des
Interferenzmusters im Freistrahlbereich zu vermeiden.
Aus der EP 756 184 A2 ist eine Abstimmvorrichtung für ein integriertes optisches
Vielstrahlinterferometer zur Korrektur der Aberration des Interferenzbildes
im Freistrahlbereich bekannt. Die Abstimmvorrichtung beruht auf der
Ausnützung von thermooptischen Effekten, die die Kernbrechzahl der Wellenleiter
beeinflußt. Die Abstimmungvorrichtung besteht aus einer Elektrodenstruktur,
die über einen Bereich des Wellenleiterphasengitters aufgebracht
ist. Das Erzeugen einer gewissen Wärme durch diese Elektrodenstruktur
verursacht eine Änderung des Brechungsindexes des davon gedeckten
Kernes von den jeweiligen Wellenleitern. Dadurch läßt sich deren
optisch wirksame Länge verändern (trimmen), was zur Verschiebung des
Interferenzmusters der Lichtsignale im Freistrahlbereich führt.
In der EP 662 621 B1 ist eine steuerbare Phasenschiebeeinrichtung der verschiedenen
Wellenleiter eines Phasengitters offenbart. Mit Hilfe dieser steuerbaren
Phasenschiebeeinrichtung kann gezielt eine Phasenverschiebung
einer in einem bestimmten Wellenleiter geführten optischen Welle erzeugt
werden. Es kann von Wellenleiter zu Wellenleiter eine unterschiedlich starke
Phasenverschiebung erzeugt werden.
Solche steuerbaren Abstimmvorrichtungen haben den großen Nachteil, daß
das Phasengitter mit zusätzliche Elektronik versehen sein muß, um diese
Abstimmvorrichtung zu bedienen. Dies verursacht erhöhten Kosten, und
birgt die Gefahr, daß diese Elektronik versagen könnte, was zu einer unbrauchbaren
Abstimmvorrichtung führen würde. Eine Alternative ist aus
dem Aufsatz "An all-fiber dense-wavelength-division multiplexer/demultiplexer
using photoimprinted Bragg gratings" von F.Bilodeau et
al. in IEEE Photonics Technology Letters, 7 (1995), Seiten 388f bekannt. Sie
beruht auf der Änderung (das Trimmen) der Kernbrechzahl einer Glasfaser
durch Bestrahlung nachdem sie vorab mit H2-Moleküle gedopt wurde, um
die Effizienz dieser Bestrahlung zu erhöhen. Nur mit Hilfe diesen als Katalysator
verwendeten H2-Moleküle kann eine Änderung der Brechzahl um
mindestens 10-3 erzielt werden. Dabei diffundieren diese Moleküle mit der
Zeit aus der gedopten Probe von alleine heraus. Dieses Verhalten wird sogar
unterstüzt, in dem die Probe meistens durch erhitzen nachträglich ausgeheilt
(annealing) wird. Doch führt dies zu einer Änderung der Bragg-Wellenlänge,
die beim planaren Wellenleiterphasengitter zentrale Wellenlänge
genannt sind. Deshalb ist es unmöglich vorherzusagen, im welchen
Bereich genau die nach diesem Verfahren behandelte Probe arbeiten wird.
Dies macht ein solches Trimmen sehr problematisch und unzuverlässig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Wellenleiterphasengitter eines
integrierten optischen Vielstrahlinterferometer derart weiter zu entwikkeln,
daß die Aberrationen der Interferenzmuster im Vielstrahlinterferometer
minimiert sind, und dies auf kontrollierter Weise.
Die Aufgabe wird durch ein Wellenleiterphasengitter gemäß Anspruch 1.
Allein durch die gezielte Bestrahlung mit UV von Bereichen von einigen
Wellenleitern des Phasengitters wird in diesen Bereichen die Kernbrechzahl
erniedrigt. Damit läßt sich die Aberration des Interferenzmusters im
Freistrahlbereich minimieren. Da einzelne Bereiche der Wellenleiter durch
Fokussierung des UV-Strahles behandelt werden können, ist es möglich die
Bestrahlung selektiv in Abhängigkeit der gemessenen Werte der kombinierten
oder getrennten Lichtsignale am angeschlossenen integrierten optischen
Vielstrahlinterferometer vorzunehmen. Somit läßt sich leicht das Phasengitter
trimmen, um z.B. bei bestimmten Wellenlängen die Verluste, die
im Übergang vom Phasengitter zu den jeweiligen Wellenleitern im
Freistrahlbereich vorkommen, zu minimieren.
Es hat sich gezeigt, daß diese erfindungsgemäße Behandlung des Phasengitters
mit UV-Strahlung ohne diese Bereiche vorab mit H2-Moleküle zu dopen,
eine kontrollierte Änderung (Minderung oder Erhöhung) der Kernbrechzahl
dieser Bereiche ermöglicht. Dadurch können solche integrierte
optische Vielstrahlinterferometer sehr genau getrimmt werden, und weisen
dadurch eine deutlich bessere Arbeitsweise durch niedrige Verlustrate und
Mischrate der bearbeiteten optischen Signale.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Zuhilfenahme der
beiliegenden Zeichnung weiter erläutert.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Draufsicht eines integrierten optischen Vielstrahlinterferometers,
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung eines Freistrahlbereiches des Vielstrahlinterferometers
nach Fig. 1,
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung eines Freistrahlbereiches des Vielstrahlinterferometers
nach Fig. 1,
- Fig. 4
- eine schematische Darstellung des Vielstrahlinterferometers nach
Fig. 1 mit dem UV-Strahl zu dessen Trimmen.
Das in der Fig. 1 in Draufsicht dargestellte integrierte optische Vielstrahlinterferometer
ist in der Ebene 101 einer Schicht einstrukturiert, die von einem
Substrat 10 getragen ist. Das Interferometer beinhaltet ein Phasengitter 1,
das aus einer Vielzahl von nah beieinander integrierten optischen Wellenleitern
gebildet ist. An den jeweiligen Enden dieses Phasengitters ist jeweils
ein Freistrahlbereich 2, 3 einstrukturiert. Ein Lichtsignal, das aus einer
Überlagerung von mehreren optischen Wellenlängen gebildet ist, wird über
einen integrierten Wellenleiter 20 vom abgewandten Ende des einen
Freistrahlbereiches 2 zugeführt oder entnommen, in Abhängigkeit ob das
Interferometer entweder als Demultiplexer oder Multiplexer verwendet wird.
An dem zweiten Freistrahlbereich 3 befinden sich an dem vom Phasengitter
1 abgewandten Ende mehrere Wellenleiter 33 bis 36 zur Entnahme oder
Einspeisung von optischen Lichtsignalen, deren Wellenlängen jeweils getrennt
wurden, bzw. zu überlagern sind.
Im folgenden beschränken wir uns auf die Beschreibung eines Demultiplexers,
d.h. ein Vielstrahlinterferometer, das zur Trennung eines Lichtsignals
aus mehreren übergelagerten, unterschiedlichen Wellenlängen in mehrere
Lichtsignale aus jeweils einer bestimmten Wellenlänge verwendet wird. In
diesem Fall wird das Lichtsignal S, das z.B. aus der Überlagerung von vier
unterschiedlichen Wellenlängen λ1, λ2, λ3 und λ4 besteht, über die Wellenleiter
20 am Freibereich 2 des Interferometers eingespeist. Die vier in den
jeweiligen Wellenlängen getrennten Lichtsignale verlassen dann das Interferometer
über vier Wellenleiter 33 bis 36, die am zweiten Freibereich 3
des Interferometers angeschlossen sind. Alle im folgenden beschriebenen
Eigenschaften des Interferometers gelten auch für einen erfindungsgemäßen
Multiplexer, nur daß dann Lichtsignale über die Wellenleiter 33 bis 36
im Interferometer eingespeist werden und nach deren Überlagerung in einem
einzigen optischen Lichtsignal das Interferometer über den Wellenleiter
20 verlaßen.
Zwischen den zwei Freistrahlbereichen 2, 3 befindet sich integriert in einer
Schicht aus z.B. SiO2 das Phasengitter 1, das auch als planare Wellenleiterphasengitter
(AWG) bezeichnet wird. Es besteht aus einer Vielzahl von N
Wellenleitern, die ohne zu überlappen und in geringen Abstand zueinander
angeordnet sind. In Fig. 1 sind als Beispiel 11 Wellenleiter 101 bis 111
dargestellt. Die jeweiligen Enden dieser Wellenleiter 101 bis 111 münden
jeweils auf der Stirnfläche 21, 31, des jeweiligen Freistrahlbereiches 2, 3.
Wie aus Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, sind diese Stirnflächen 21, 31 vorzugsweise
als Kreisbogen ausgeführt. Die jeweiligen Enden der N Wellenleiter
sind gleichmäßig auf diesem Kreisbogen 21, 31 verteilt.
In Fig. 2 ist der Freistrahlbereich 2 des Interferometers mit dem Eingangswellenleiter
20 dargestellt. Über den Eingangswellenleiter 20 wird das optische
Signal S(λ1, λ2, λ3, λ4) im Freistrahlbereich 2 an dessen der Stirnfläche
21 gegenüberliegenden Ende eintreten. Dabei wird das Lichtsignal S in einem
Konus D im Freistrahlbereich 2 divergieren, und zu dessen kreisförmig
gebildeter Stirnfläche 21 gerichtet sein. Dieser Brennpunkt ist mit der Stirnfläche
21 verschmolzen. In jedem der Wellenleiter i des Phasengitters 1
wird dann aus der Stirnfläche 21 ein Teil des divergierenden Strahles D des
optischen Signals S eindringen.
In allen N Wellenleitern pflanzt sich das eingedrungene Lichtsignal bis zur
Stirnfläche 31 des Freibereiches 3 fort. Dabei ist jedes Lichtsignal in den
Wellenleitern 101 bis 111 immer noch eine Überlagerung der vier Wellenlängen
λ1, λ2, λ3 und λ4 des vom Eingangswellenleiter 20 übertragenen
Signals S.
Aus der Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Wellenleiter 101 bis 111 des Phasengitters
1 kreisförmig in der Ebene des Substrates 10 ausgerichtet sind.
Dadurch ergibt sich zweckmäßiger Weise, daß die Wellenleiter 101 bis 111
sich in deren optischen Länge untereinander unterscheiden. Der Wellenleiter
101 mit kleinstem Krümmungsradius weist entsprechend die kleinste
optische Länge auf. Die jeweilige optische Länge wächst zusammen mit
dem Krümmungsradius von Wellenleiter zu Wellenleiter bis zu einem Maximum
beim Wellenleiter 111 mit dem größten Krümmungsradius. Der
Unterschied der optischen Wellenlänge kann ein Bruchteil von einem µm
bis hin zu einigen µm betragen.
An der Stirnfläche 31 des Freistrahlbereiches 3 münden auf gleicher Art
und Weise die Wellenleiter i wie an der Stirnfläche 21 des Freistrahlbereiches
2. Entsprechend ist die Stirnfläche 31 auch kreisförmig ausgebildet
(Fig. 3). Da die Lichtsignale, die von den Wellenleitern i übertragen sind,
aus dem selben Lichtsignal S stammen, vermischen sich diese Lichtsignale
im Freistrahlbereich 3 auf kohärenter Weise. Es entsteht ein Interferenzmuster
auf der Brennfläche 32 des Freistrahlbereiches 3 gegenüber der Stirnfläche
31. Die unterschiedlichen optischen Weglängen der Wellenleiter i
führen dazu, daß die Lichtsignale C mit bestimmten Wellenlängen λ an
unterschiedlichen Brennpunkten F konvergieren. Für ein im Vielstrahlinterferometer
eintretendes Lichtsignal S, daß aus der Überlagerung von z.B.
vier Wellenlängen λ1, bis λ4 besteht, werden sich dann im Freistrahlbereich
3 vier konvergierende Lichtsignale C(λ1) bis C(λ4) ausbilden. Die Maxima
der konvergierenden Lichtsignalen C(λ1) bis C(λ4) befinden sich an separaten
Brennpunkten F1 bis F4 auf der selben Brennfläche 32. Zentriert um diese
Brennpunkte F1 bis F4 sind die vier Ausgangswellenleiter 33 bis 36 an
der Brennfläche 32 des Freistrahlbereiches 3 angeschlossen. Über diese
Ausgangswellenleiter 33 bis 36 werden die jeweils getrennten Lichtsignale
S(λ1) bis S(λ4) übertragen. Bei der Ausführung des Phasengitters 1 auf dem
Silizium-Substrat ist es unmöglich zu verhindern, daß eine gewisse Aberration
des Interferenzmusters an der Brennfläche 32 entsteht. Dies führt einerseits
zu erhöhten Verlusten von optischen Signalen im Vielstrahlinterferometer
sowie zu einer beträchtlichen gegenseitigen Kopplung zwischen benachbarten
Ausgangswellenleitern 33 bis 36. Dadurch entsteht eine unerwünschte
Zunahme des Nebensprechens zwischen den Kanälen, die durch
eine bestimmte Wellenlänge λ1, bis λ4 charakterisiert sind. Es besteht nur
eine geringere Effizienz bei der Übertragung von optischer Leistung zwischen
ausgewählten Eingangsports (falls mehrere vorhanden sind) zu ausgewählten
Ausgangsports der Vorrichtung.
Um dieser Aberration entgegenzuwirken, wird die gesamte Platte, die das
Vielstrahlinterferometer enthält an einen Testapparat angeschlossen. Ein
Lichtsignal S(λ1, λ2, λ3, λ4) wird am Eingangswellenleiter 20 eingespeist.
Über Photodetektoren P(λ1) bis P(λ4), die an den jeweiligen Ausgangswellenleiter
33 bis 36 angeschlossen sind (s. Fig.3), werden dann die getrennten
Lichtsignale gemessen. In Abhängigkeit der an den Photodetektoren
P(λ1) bis P(λ4) gemessenen Daten wird beschlossen das Phasengitter 1 zu
trimmen. Dies wird erfindungsgemäß mit einem optischen Strahl 40 durchgeführt.
Hierfür wird der optische Strahl 40, der senkrecht zu der Ebene 101
in der das Vielstrahlinterferometer sich befindet, angeordnet ist, über eine
mikroskopische Linse 41 auf einen gewissen Bereich Bi eines bestimmten
Wellenleiters i des Phasengitters 1 fokussiert (s. Fig.4). Dabei wird entweder
der fokussierte UV-Strahl entsprechend gesteuert, um diesen Bereich Bj des
Wellenleiters i behandeln zu können, oder es wird bei fest fokussiertem
Strahl die Platte, die das Vielstrahlinterferometer enthält, in der Ebene bewegt.
Im beiden Fällen wird der Brennpunkt des fokussierten Strahles über
einen bestimmten Bereich Bi des Wellenleiters fahren. Dieses Verfahren
kann auf mehreren Wellenleitern i ausgewendet werden. Die jeweiligen
bestrahlten Bereiche Bi können gleiche oder unterschiedliche Längen LBi
aufweisen. Die UV-Strahlung führt zu einer Änderung der Kernbrechzahl im
Bereich Bi des Wellenleiters i. Der Unterschied Δn i zwischen der Kernbrechzahl
NBi eines Bereiches Bi eines Wellenleiters j und der Kennbrechzahl Ni
des jeweiligen restlichen Wellenleiters i beträgt im Betrag mindestens 10-4.
Diese Änderung der Kennbrechzahl in einigen oder allen Wellenleitern j des
Phasengitters 1 führt zu einer bestimmten Phasenverschiebung Δ i des über
die jeweiligen Wellenleiter i übertragenen Lichtsignals. Diese Phasenverschiebung
Δϕ i ist zudem abhängig von der Länge LBi des bestrahlten Bereiches
Bi . Vorteilhafterweise ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen
der Phasenverschiebung Δϕ i und der Länger LBi . Für eine gegebene Wellenlängen
λ des Lichtsignales haben wir folgendes Gesetz:
Δϕ i = 2πλ . LBi . Δni
Die Brechzahländerung pro Länge kann im Mittel um ungefähr einen Radient
pro mm betragen. Damit läßt sich die Aberration am Interferenzmuster
für einzelne Wellenlängen sehr genau korrigieren. Zudem verursacht
dieses Verfahren ein irreversibles Trimmen des Phasengitters. Die Eigenschaft
der Bereichen Bi der jeweiligen Wellenleiter i ändert sich nicht mehr
nachdem das Verfahren des Trimmen abgeschlossen wurde. Dies ist nur
möglich in dem keine Dotierung mit z. B. H2-Moleküle vorgenommen wurde
und die Bereiche Bi allein nur durch UV-Strahlung bestrahlt wurden.
In Fig. 1 ist das Phasengitter 1 mit den bestrahlten Bereichen Bi der einzelnen
Wellenleiter 102 bis 111 schematisch dargestellt, wie es durch Phasenkontrastmessungen
sichtbar wäre. Eindeutig zu erkennen sind die unterschiedlichen
Längen LBi dieser Bereiche Bi ', der vom Wellenleiter mit zweitkleinstem
Krümmungsradius 102 bis zum Wellenleiter 111 mit größtem
Krümmungsradius stetig steigt. In diesem Fall sind nur 10 der 11 Wellenleiter
mit UV-Strahlung bestrahlt worden. Das Phasengitter 1 weist entsprechend
10 Bereiche 202 bis 211 bei denen die Kernbrechzahl durch UV-Strahlung
gemindert oder erhöht wurde auf.
Mit Hilfe dieses erfindungsgemäßen Verfahren zum Trimmen eines Wellenleiterphasengitters
kann sehr genau beliebige Aberration am Interferenzmuster
des Vielstrahlinterferometers korrigiert werden. Dieses Verfahren hat
zudem den erheblichen Vorteil nur ein einziges Mal durchgeführt werden zu
müssen, d.h., daß nach gegebenenfalls mehreren Vorgängen in denen die
Wellenleiter mit UV-Strahlung bestrahlt wurden, und das Interferometer befriedigend
getestet wurde, es auf Dauer getrimmt bleibt. Bei der Behandlung
der Wellenleiter i des Phasengitters 1 mit UV-Strahlung kann unterschiedliche
Intensität dieser Strahlung und/oder unterschiedlich lang auf
der Stelle bestrahlt werden. Die Behandlung eines einzigen Wellenleiters i
muß nicht zweckmäßig kontinuierlich sein. Es können auch mehrere, separate
Bereiche Bi am selben Wellenleiter i erfindungsgemäß behandelt
werden.